基于LabVIEW的《控制工程基礎》課程仿真系統教學方法

方傳智+張婷婷

摘 要：《控制工程基礎》課程是機電相關專業必修的一門專業基礎課程。課程涉及數學、電路、機械等多個課程，理論性強，知識面廣，概念抽象，學生在學習過程中極易感到乏味、枯燥。針對這一現象，提出基于LabVIEW虛擬儀器和CDS控制設計與仿真工具包制作圖形化仿真教學系統，將理論知識與工程應用結合，能夠引領學生將理論和應用綜合掌握，同時LabVIEW的圖形化編程語言制作形象化的仿真分析界面，能夠極大改善課程教學的枯燥乏味，激發學生積極性。

關鍵詞：LabVIEW；控制設計與仿真；控制工程基礎；圖形化仿真教學系統

1 引言

高校《控制工程基礎》是機電、自動化相關專業必修的一門專業基礎課程，內容涉及數學、物理、電學、機械等多門課程。課程以理論分析演算為主，內容難度較大，課堂氛圍極易枯燥乏味[1]～[4]。為了解決這些問題，本文設計了基于LabVIEW虛擬儀器制作控制工程基礎教學仿真系統，利用LabVIEW CDS控制設計與仿真（Control Design and Simulation）工具包將工程應用場景（本文以電工學RLC二階振蕩電路為例），系統激勵和響應，傳遞函數設計和頻域分析等模塊綜合成圖形化交互界面[5]～[6]。在這個仿真系統中學生可以根據電路調整RLC參數，輸入信號并進行頻域分析。相對傳統教學能提升學生學習興趣，改善課堂氣氛；相對MATLAB和C等其他仿真語言，本文基于LabVIEW CDS工具包編制的仿真系統不僅能實現MATLAB等平臺的所有仿真功能，在圖形化界面上能更形象直觀的展示控制系統的整個流程，同時LabVIEW的圖形化G語言編程相對于文本語言編程更利于學生理解掌握。

2 基于CDS的RLC振蕩電路頻率響應系統設計

LabVIEW CDS控制設計與仿真工具包是圖形化編程語言LabVIEW軟件中工程應用工具包中的一種，主要用于控制系統設計與分析，使用者能夠載入已有控制系統或者創建新的系統，進行時域和頻域性能分析。CDS工具包有若干函數塊組成，主要功能包括：控制與仿真循環，模型參數設定，信號生成，信號運算，連續和離散系統設計和優化設計等，

本文演示一個《控制工程基礎》課程教學中時域和頻域都涉及的經典案例，RLC二階振蕩電路系統， RLC振蕩電路由電阻R，電感L和電容C組成，系統傳遞函數模型為：

其中S是拉普拉斯算子， 為無阻尼固有頻率， 為阻尼比。

在LabVIEW軟件中，首先設置R，L和C三個參數，為了更直觀表現，分別用圖形控件中的數字旋鈕和滑竿控制三個參數的輸入， 輸入信號Vi設置為交流電壓，演示時利用滑竿實時改變輸入頻率，通過控制系統函數再實時輸出響應時域信號，設計好的整個RLC振蕩電路教學仿真系統界面如下：

上面的仿真系統首先根據RLC振蕩系統的傳遞函數模型設置系統參數，圖示電阻值為100Ω，電感值為50mH，電容為100μF，仿真系統由程序實時計算傳遞函數，輸入激勵信號在上圖左下角，利用滑竿設置信號頻率，信號幅值在圖中讀出峰值-1V～+1V，運行程序后響應信號在對應圖形框中顯示。右側是表示系統頻域響應的伯德圖，右側上下兩幅分別是幅頻譜圖和相頻譜圖。由RLC振蕩電路的原理可知其是一個單輸入單輸出（SISO）系統，設計思路是借由CDS工具包設計一個SISO系統，在輸入環節設計參數（R，L和C參數值），再利用工具包中的時域和頻域相關分析函數計算時、頻域響應結果，整個控制系統程序相對與MATLAB等文本編程語言簡單，能夠極大減少工作量，由于采用圖形化編程，編程錯誤相對文本語言也會較大減少。

這種基于CDS的仿真系統教學方法可以在完成《控制工程基礎》理論授課后，在實驗課上機環節完成。由于控制工程課程針對的是機電和測控專業學生，這兩類專業的學生都會開設LabVIEW課程，學生只需要簡單的LabVIEW基礎就可以完成這種仿真系統設計。

4 結論

本文借助LabVIEW及其CDS工具包，設計了一種基于仿真系統的《控制工程基礎》教學方法，并以課程中常見的RLC振蕩電路系統為例，從系統分析，模型制作，程序編寫，時域和頻域響應結果輸出等方面介紹了仿真系統的制作運行過程。利用圖形化編程和界面演示，豐富了課堂教學內容，提高學生的學習興趣，同時利用LabVIEW對工程中的控制系統進行仿真，可以加深學生對理論知識和軟件應用的理解，為提高學生的工程應用能力奠定基礎。

參考文獻：

[1] 朱利民， 王明婓. 關于高校《自動控制原理》課程改革的探索[J].甘肅科技，2010，26（8）：168-170.

[2]王偉，申愛明.《控制工程基礎》課程教學改革研究與探索[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2007，30（2）：139—141.

[3] 張段芹， 王輝. 面向“卓越計劃”的“控制工程基礎”教學改革探索[J]. 中國電力教育，2013，（7）：72-73.

[4]顧玉萍，石劍鋒.MATLAB在《機械控制工程基礎》教學中的應用 [J].職業教育研究，2007，（4）：168—169.

[5]鄭對元.精通LabVIEW 虛擬儀器程序設計[M].北京：清華大學出版社，2012.

[6]孫建偉， 韓連英， 關英俊. 機械工程控制基礎教材的改革研究[J]. 長春工業大學學報： 高教研究版，2013，（2）：84-85.